吉林大学精品课>>专门水文地质学>>教材>>专门水文地质学 10.2矿床充水因素 矿体尤其是围岩中赋存地下水,这种现象称矿床充水。这些地下水及与之有联系的其它 水源,在开采状态下造成矿坑的持续涌水。把水源矿坑的途径称充水通道。水源与通道构成 了矿床充水的基本条件,其它各种因素只是通过对水源与通道的作用,影响矿坑涌水量的大 小,称充水强度影响因素。如阳隔各种水源进入矿坑自然因素,扩大天然通道,产生新通道 的采矿因素。水源、通道、强度影响因素,通称矿床充水因素,它们在充水过程中国,的不 同组合,形成了不同的充水条件。其中,充水源的规模,充水通道的导水性以及导致采后发 生变化的采矿因素,是矿床充水因素分析的重点 充水因素分析,贯穿矿床勘探与开采的全过程,勘探阶段,主要根据矿床所处的自然环 境及矿区水文地质条件,初步预测采后主要充水水源和通道,为矿坑涌水量的预测提供依据: 开采阶段,充水因素分析更具体,可结合具体开采条件为解决矿坑充水水源和充水通道问题, 所采取的防治措施提供依据 充水水源 (一)降水 降水是地下水的重要补给水源,所有矿床充水都直接或间接与降水有关。有时降水还是 唯一的充水水源,如位于当地侵蚀以上的矿床和无地表水分布的矿区。研究降水对矿床充 水的意义:一是降水作为矿床水文地质分区要素的宏观影响:二是对以降水补给为主矿床的 直接作用。如:分水岭地段和地下水位变幅带内的矿床,矿床浅埋充水含水层基本裸露的 床,西南高位岩溶管道充水的矿床:三是季节性降水对位于调蓄库容巨大的蓄水构造中矿床 的影响 1.充水特征 降水量大小决定降水对矿床充水的根本原因,造成南方湿润多雨地区的矿床充水强度普 通大于北方半干旱地区,而西北干旱地区的矿坑涌水量很小:降水入渗随矿体埋深而减 并出现涌水量迟后的特征;矿坑涌水量呈季节性周期变化,最大涌水量是正常涌水量的数十 倍,如位于分水岭地段的湖花岭多全属岩溶管道充水矿床,达30倍,矿坑出现突然涌水 均与降水强度有关,一般出现在暴雨后数小时至数日内,矿坑淹井都发生在历史上最大降水 量的丰水年 2.评价方 分析降水的充水影响,首先要考虑矿体与当地侵蚀带和地下水的关系,以及地形的自然 浅水条件,然后具体地分析矿体的埋深,入渗条件和汇水条件;矿坑涌水量预测的重点是丰 水年雨季峰期的最大涌水量,预测方法常以均衡法为主,尤其是位于分水岭地区的矿床,其 雨季地下水渗流场呈大起大落的垂向运动,与渗流理论的基本原理根本不符:降水入渗系数
吉林大学精品课>>专门水文地质学>>教材>>专门水文地质学 §10.2 矿床充水因素 矿体尤其是围岩中赋存地下水，这种现象称矿床充水。这些地下水及与之有联系的其它 水源，在开采状态下造成矿坑的持续涌水。把水源矿坑的途径称充水通道。水源与通道构成 了矿床充水的基本条件，其它各种因素只是通过对水源与通道的作用，影响矿坑涌水量的大 小，称充水强度影响因素。如阳隔各种水源进入矿坑自然因素，扩大天然通道，产生新通道 的采矿因素。水源、通道、强度影响因素，通称矿床充水因素，它们在充水过程中国，的不 同组合，形成了不同的充水条件。其中，充水源的规模，充水通道的导水性以及导致采后发 生变化的采矿因素，是矿床充水因素分析的重点。 充水因素分析，贯穿矿床勘探与开采的全过程，勘探阶段，主要根据矿床所处的自然环 境及矿区水文地质条件，初步预测采后主要充水水源和通道，为矿坑涌水量的预测提供依据； 开采阶段，充水因素分析更具体，可结合具体开采条件为解决矿坑充水水源和充水通道问题， 所采取的防治措施提供依据。 一、充水水源 （一）降水 降水是地下水的重要补给水源，所有矿床充水都直接或间接与降水有关。有时降水还是 唯一的充水水源，如位于当地侵蚀 以上的矿床和无地表水分布的矿区。研究降水对矿床充 水的意义：一是降水作为矿床水文地质分区要素的宏观影响；二是对以降水补给为主矿床的 直接作用。如：分水岭地段和地下水位变幅带内的矿床，矿床浅埋充水含水层基本裸露的矿 床，西南高位岩溶管道充水的矿床；三是季节性降水对位于调蓄库容巨大的蓄水构造中矿床 的影响。 1. 充水特征 降水量大小决定降水对矿床充水的根本原因，造成南方湿润多雨地区的矿床充水强度普 通大于北方半干旱地区，而西北干旱地区的矿坑涌水量很小；降水入渗随矿体埋深而减弱， 并出现涌水量迟后的特征；矿坑涌水量呈季节性周期变化，最大涌水量是正常涌水量的数十 倍，如位于分水岭地段的湖 花岭多全属岩溶管道充水矿床，达 30 倍，矿坑出现突然涌水 均与降水强度有关，一般出现在暴雨后数小时至数日内，矿坑淹井都发生在历史上最大降水 量的丰水年。 2. 评价方法 分析降水的充水影响，首先要考虑矿体与当地侵蚀带和地下水的关系，以及地形的自然 浅水条件，然后具体地分析矿体的埋深，入渗条件和汇水条件；矿坑涌水量预测的重点是丰 水年雨季峰期的最大涌水量，预测方法常以均衡法为主，尤其是位于分水岭地区的矿床，其 雨季地下水渗流场呈大起大落的垂向运动，与渗流理论的基本原理根本不符；降水入渗系数
的获取,山区可通过小流场均衡试验实测或选用宏观经验值:平原地区一般根据降水量与地 下水位的长期观测资料计算取得;也可引入近代数值方法,运用分布参数系统数值模型的调 参求得入渗系数的平面分布值:在泉域地区还可采用描述地下水排浅量(泉流量)与降雨量 关系的集中参数系统模型(里),求得整体泉域降水的有效补给量(入渗量)及其迟后特 征,但是这些天然状态值的应用,要考虑采后的影响。 (二)地表水 位于矿区或矿区附近的地表水,往往成为矿坑水的重要充水水源,给采矿造成很大威胁 因此,地表水是矿床水文地质条件复杂程度划分的重要要素之 1.充水特征与补给方式 地表水的规模及其矿体之间的距离,直接影响矿床的充水强度,一般地表水的规模愈大, 距离愈近,威胁也愈大,反之则小:位于季节性河流附近的矿床,平时涌水量一般不大,仅 在雨季地表水出流时需防洪;随采深增加,地表水的影响也会明显减弱。如湖南某矿,在河 下50m处涌水量为3.36×10mld,采深至120~150时,平均涌水量仅0.35×10m/ld。此外, 若对矿坑排水管理不当,其回渗量也可成为矿坑水的重要来源,如湖南煤炭煤矿,在治理 前的一段时期内,其矿坑排水的下渗量占总涌水量的223% 地表水对矿床充水影响的强弱,取决于地表水对矿坑的补给方式 (1)渗透补给:这种补给方式无大水矿床,其条件是充水围岩的裂隙为主,或水下分 布弱透水层。前者如海下采矿的辽东华铜等矿,主要充水围岩是含微裂隙的前震旦系大理岩, 岩层倾向海且上覆片岩隔水层,阻挡了海水的大量入侵,至上世纪60年代开采已伸入海岸 200m,最大采深已在海平面以下693m,矿坑总涌水量174×10m3/d,主要是断层和裂隙 入的第四系孔隙水,矿坑总涌水量1.74×104m3d,海水入渗量占总涌水量的9.8%,约0.17 ×104md:后者如湖下采矿的大冶铜汞山矿,充水含水层为岩溶较发育的三迭系灰岩,但 湖底分布粘土隔水层,矿坑涌水量仅0.89×104md。 (2)灌入式补给:大多数发生在大水矿床中,如①海水从中奧陶系灰岩在海底的溶洞 倒灌的辽东复州湾粘土矿上世纪80年代矿坑一105水平的实际涌水量5.11×10m3/d,数值 法预测一105水平的涌水量为27.5×10m3/d;②河水沿疏干漏斗内河床二迭系茅口灰岩的 岩溶坍隔坑回灌的湖南恩口煤矿,在1977、1980、1990三次暴雨中,两条河水断流,沿河 床坍隔段回灌,矿坑水涌水量分别为0.5×10恤m3/h、>0.5×10m3/h、24×10m3/h:③河流 通过强透水冲积层直接灌入的内蒙元宝山煤矿,数值法预测矿坑涌水量33×104m3/h 2.评价方法 对地表水补给条件的评价,应从上述两种补给方式的基本条件入手,分析河水通过导水 通道灌入矿坑的可能性。一是地表水与充水围岩之间有无覆盖层及其隔水条件:二是开采状 态下有无出现导水通道的条件,如覆盖层变薄或尖灭形成“天窗”、断裂破碎带、地古坍隔 顶板崩落等。此外,应利用一切技术手段掌握地表水与充水围岩之间的水力联系程度,如: 抽水试验、地下水动态成因分析、实测河段入渗量、或用数值法反演计算不同河段的入渗量 等。但是准确评价大型地表水的充水强度是很困难的,往往直至矿井开采结束前都在观测研 究地表水溃入的可能性
的获取，山区可通过小流场均衡试验实测或选用宏观经验值；平原地区一般根据降水量与地 下水位的长期观测资料计算取得；也可引入近代数值方法，运用分布参数系统数值模型的调 参求得入渗系数的平面分布值；在泉域地区还可采用描述地下水排浅量（泉流量）与降雨量 关系的集中参数系统模型（里 ），求得整体泉域降水的有效补给量（入渗量）及其迟后特 征，但是这些天然状态值的应用，要考虑采后的影响。 （二）地表水 位于矿区或矿区附近的地表水，往往成为矿坑水的重要充水水源，给采矿造成很大威胁。 因此，地表水是矿床水文地质条件复杂程度划分的重要要素之一。 1. 充水特征与补给方式 地表水的规模及其矿体之间的距离，直接影响矿床的充水强度，一般地表水的规模愈大， 距离愈近，威胁也愈大，反之则小；位于季节性河流附近的矿床，平时涌水量一般不大，仅 在雨季地表水出流时需防洪；随采深增加，地表水的影响也会明显减弱。如湖南某矿，在河 下 50m 处涌水量为 3.36×104m3 /d，采深至 120~150 时，平均涌水量仅 0.35×104m3 /d。此外， 若对矿坑排水管理不当，其回渗量也可成为矿坑水的重要来源，如湖南煤炭 煤矿，在治理 前的一段时期内，其矿坑排水的下渗量占总涌水量的 22.3%。 地表水对矿床充水影响的强弱，取决于地表水对矿坑的补给方式： （1）渗透补给：这种补给方式无大水矿床，其条件是充水围岩的裂隙为主，或水下分 布弱透水层。前者如海下采矿的辽东华铜等矿，主要充水围岩是含微裂隙的前震旦系大理岩， 岩层倾向海且上覆片岩隔水层，阻挡了海水的大量入侵，至上世纪 60 年代开采已伸入海岸 200m，最大采深已在海平面以下 693m，矿坑总涌水量 1.74×104m3 /d，主要是断层和裂隙引 入的第四系孔隙水，矿坑总涌水量 1.74×104m3 /d，海水入渗量占总涌水量的 9.8%，约 0.17 ×104m3 /d；后者如湖下采矿的大冶铜汞山矿，充水含水层为岩溶较发育的三迭系灰岩，但 湖底分布粘土隔水层，矿坑涌水量仅 0.89×104m3 /d。 （2）灌入式补给：大多数发生在大水矿床中，如 ①海水从中奥陶系灰岩在海底的溶洞 倒灌的辽东复州湾粘土矿上世纪 80 年代矿坑－105 水平的实际涌水量 5.11×104m3 / d，数值 法预测－105 水平的涌水量为 27.5×104m3 /d；② 河水沿疏干漏斗内河床二迭系茅口灰岩的 岩溶坍隔坑回灌的湖南恩口煤矿，在 1977、1980、1990 三次暴雨中，两条河水断流，沿河 床坍隔段回灌，矿坑水涌水量分别为 0.5×104m3 /h、＞0.5×104m3 /h、24×104m3 /h；③ 河流 通过强透水冲积层直接灌入的内蒙元宝山煤矿，数值法预测矿坑涌水量 33×104m3 /h。 2. 评价方法 对地表水补给条件的评价，应从上述两种补给方式的基本条件入手，分析河水通过导水 通道灌入矿坑的可能性。一是地表水与充水围岩之间有无覆盖层及其隔水条件；二是开采状 态下有无出现导水通道的条件，如覆盖层变薄或尖灭形成“天窗”、断裂破碎带、地古坍隔、 顶板崩落等。此外，应利用一切技术手段掌握地表水与充水围岩之间的水力联系程度，如： 抽水试验、地下水动态成因分析、实测河段入渗量、或用数值法反演计算不同河段的入渗量 等。但是准确评价大型地表水的充水强度是很困难的，往往直至矿井开采结束前都在观测研 究地表水溃入的可能性
在地表水下采矿时一般要采用保护顶板稳定性的采矿方法,如充填采矿法、支撑采矿法 等,有的矿床也只能暂时放弃 (三)地下水 地下水是矿坑涌水的直接来源,造成矿坑涌水的含水层称充水含水层(或充水围岩) 同时它还是其它水源作为充水层的补给源进入矿坑的主要途径。因此,研究矿区地下水实际 是研究含水层的充水条件 1.充水特征 充水含水层的空隙性决定矿床的充水强度。空隙是矿床水文地质分类的依据。在宏观上: 岩溶充水矿床最强:裂隙充水矿床最弱:孔隙充水矿床居中。我国的大水矿床(指矿坑涌水 量>10×104m3/d)多数为岩溶充水矿床 充水含水层与矿体的接触关系决定了矿坑的进水条件,是直接进水或间接进水。充水含 水层的规模及其补给径流条件,影响矿坑涌水量大水和动态。规模大、补给径流条件好,矿 坑涌水量大而稳定;反之,涌水量隨排水逐年减小,易疏干:此外,开采初期矿坑涌水量受 储存量影响大;后期则主要反映充水含水层的补给径流条件。 我国威胁最大的充水含水层依次是:北方中奥陶系灰岩:南方二迭系茅口灰岩和石炭系 壶天灰岩,共同特点是质纯厚度大、岩溶发育,90%的大水矿床分布其中。 2.评价方法 对充水含水层的研究与评价,除传统的方法外,最有效的技术方法是抽水试验。对于 般的充水矿床,常通过1至数个典型地段的抽水试验,查清典型地段含水层的水文地质条件, 获取充水含水层的代表性水动力参数及涌水量与水位降的统计关系,作为评价其富水性及补 给径流条件的依据,并为解析法和数理统计方法等矿坑涌水量预测方法提供基本数据。对于 水文地质条件复杂的矿床,上世纪70年代以来,我国普遍采用大流量、大降深、大口径大 范围的大型群孔抽水试验,从整体上揭示充水含水层的结构特征及其补给、径流、排浅条件, 作为充水条件评价的依据,大大提高了对大水矿床的勘探与评价的水平。 (四)老空水 老空水是指被废弃矿坑和淹没的生产井巷中的积水,是矿区浅部采矿常见的充水水源。 老空水涌水一般来势凶猛,醱性大、并含有害气体玫携带块石,破坏性大:同时,老空水涌 水还可成为其它水源涌入矿坑的通道,此时危害更大。老空水因年代久远,分布范围不清, 调查困难。老空水的调查很重要,主要通过调查编制老空水空间分布,划分危险区,估计 容积水量,查清与其它水源的联系 除上述几种主要水源外,玄武岩中的同生、次生洞穴,煤矿中因煤层自然形成的空洞均 充满积水,虽然储存量不大,有时也会对开采造成不良影响,尤其是当它们成为导水通道时 因此也应给予一定的关注。 二、充水通道 充水水源矿坑的途径千差万别,仅对矿坑构成直接威胁的溃科式导水通道作一讨论。 (一)构造断裂带 充水特征
在地表水下采矿时一般要采用保护顶板稳定性的采矿方法，如充填采矿法、支撑采矿法 等，有的矿床也只能暂时放弃。 （三）地下水 地下水是矿坑涌水的直接来源，造成矿坑涌水的含水层称充水含水层（或充水围岩）。 同时它还是其它水源作为充水层的补给源进入矿坑的主要途径。因此，研究矿区地下水实际 是研究含水层的充水条件。 1. 充水特征 充水含水层的空隙性决定矿床的充水强度。空隙是矿床水文地质分类的依据。在宏观上： 岩溶充水矿床最强；裂隙充水矿床最弱；孔隙充水矿床居中。我国的大水矿床（指矿坑涌水 量＞10×104m3/d）多数为岩溶充水矿床。 充水含水层与矿体的接触关系决定了矿坑的进水条件，是直接进水或间接进水。充水含 水层的规模及其补给径流条件，影响矿坑涌水量大水和动态。规模大、补给径流条件好，矿 坑涌水量大而稳定；反之，涌水量隨排水逐年减小，易疏干；此外，开采初期矿坑涌水量受 储存量影响大；后期则主要反映充水含水层的补给径流条件。 我国威胁最大的充水含水层依次是：北方中奥陶系灰岩；南方二迭系茅口灰岩和石炭系 壶天灰岩，共同特点是质纯厚度大、岩溶发育，90%的大水矿床分布其中。 2. 评价方法 对充水含水层的研究与评价，除传统的方法外，最有效的技术方法是抽水试验。对于一 般的充水矿床，常通过 1 至数个典型地段的抽水试验，查清典型地段含水层的水文地质条件， 获取充水含水层的代表性水动力参数及涌水量与水位降的统计关系，作为评价其富水性及补 给径流条件的依据，并为解析法和数理统计方法等矿坑涌水量预测方法提供基本数据。对于 水文地质条件复杂的矿床，上世纪 70 年代以来，我国普遍采用大流量、大降深、大口径大 范围的大型群孔抽水试验，从整体上揭示充水含水层的结构特征及其补给、径流、排浅条件， 作为充水条件评价的依据，大大提高了对大水矿床的勘探与评价的水平。 （四）老空水 老空水是指被废弃矿坑和淹没的生产井巷中的积水，是矿区浅部采矿常见的充水水源。 老空水涌水一般来势凶猛，醱性大、并含有害气体玫携带块石，破坏性大；同时，老空水涌 水还可成为其它水源涌入矿坑的通道，此时危害更大。老空水因年代久远，分布范围不清， 调查困难。老空水的调查很重要，主要通过调查编制老空水空间分布 ，划分危险区，估计 容积水量，查清与其它水源的联系。 除上述几种主要水源外，玄武岩中的同生、次生洞穴，煤矿中因煤层自然形成的空洞均 充满积水，虽然储存量不大，有时也会对开采造成不良影响，尤其是当它们成为导水通道时， 因此也应给予一定的关注。 二、充水通道 充水水源矿坑的途径千差万别，仅对矿坑构成直接威胁的溃科式导水通道作一讨论。 （一）构造断裂带 1. 充水特征
对于不同类型的充水矿床,断裂带的充水意义各不相同。裂隙充水矿床因其富水性弱, 断裂带中的地下水有时是矿坑的主要充水来源:岩溶充水矿床断裂带本身是否富水意义不 大,重要的是它的充水作用。断层的充水作用因其在矿区的分布位置而异。如: (1)隔水断层:一般为压性断层或断裂带被粘土质充填。隔水断层分布在充水含水层 内时,常分割充水含水层的水力联系,但强烈的采矿活动可使其转化为导水断裂带:若分布 在边界上,能阻止区域地下水的补给;当切穿顶底板隔水层时,会降低其隔水性,在开采条 件下可造成顶板或底板的突水 (2)导水断层:边界的导水断层起充水含水层接受区域地下水补给的通道作用:矿区 内断层与地表水连通时,常成为地表水溃入矿坑的导水通道:充水含水层内的导水断层,井 巷通过时涌水量增大,也可产生溃水。 (3)不同规模的断层,在矿床充水中的意义各有不同:规模大的断层一般组成矿田的 天然国国边界或井田的人为边界,控制矿床或矿坑的地下水补给径流条件,影响矿坑涌水量 大小;分布在矿区内的中小断层或区域性构造裂隙带,是矿坑顶底突水中最多见的突水通道, 在华北石炭二迭系煤田中占突水事故的50%以上。 断层是否成为矿坑溃入式导水通道,取决于断层的性质与采矿活动的方式和强度。采矿 活动中,由隔水断层转化为导水断裂带的现象并不少见 2.评价方法 对断裂带导水作用的调查研究,是矿床水文地质工作的重点。应从其自身水文地质特性 入手,查清断层不同部位的导水性及其与力学性质,两侧地层岩性变化的关系,在此基础上 根据断层的分布位置,结合开采条件评价其充水作用:是作为沟通充水含水层与其它水源之 间联系的间接充水作用,还是导致矿坑大量突然涌水的直接通道作用。后者是关键,勘探时 常需投入大量勘探与试验工程,并利用各种技术方法综合评价其导水控水作用,如:钻探 坑探、物探、抽水试验以及地下水水位,水化学,动态等特征的对比分析 (二)岩溶坍隔与“天窗” 1.基本概念与充水特征 岩溶坍隔是指覆盖于充水(或空气)空间之上的土层,因外力(抽、放水、暴雨)作用 瞬间坍落,先期存在的岩溶网隙为容纳和运移坍落物质提供了必要的空间条件,它是岩溶动 力地质作用的结果,与非可溶岩中产生的坍隔不同。其形成过程:首先是网隙上复土层在地 下水变动带内崩解脱落,然后土层物质受流动地下水转移成大洞,并逐渐扩大使土洞顶 板变薄,最后在自然和人为作用下洞顶向下临落。岩溶坍隔是岩溶充水矿床严重的水文地质 工程地质问题,它不仅造成突发性矿坑溃水,同时破坏地面多种设施,导致河水断流,破坏 水资源。我国岩溶坍隔集中发生在南方溶洞充水矿床中,北方溶隙充水矿床仅占1.8% “天窗”是指岩溶充水含水层与上覆冲积层之间的未胶结、半胶结地层,因沉积相变成 河谷下切而变薄甚至消失,导致充水含水层与上覆第四系含水层的直接接触,形成导水“天 窗”。天然状态下,“天窗”是充水含水层地下水排浅通道,也是岩溶坍隔的有利部位。如 山东莱芜铁矿,1995年中奧陶灰岩中的大型疏干工程放水试验,最大放水量106×104m3/d, 平均水位降59.04m,地面出现岩溶坍隔27处,其中位于汶河及其支流的覆盖层变薄处占
对于不同类型的充水矿床，断裂带的充水意义各不相同。裂隙充水矿床因其富水性弱， 断裂带中的地下水有时是矿坑的主要充水来源；岩溶充水矿床断裂带本身是否富水意义不 大，重要的是它的充水作用。断层的充水作用因其在矿区的分布位置而异。如： （1）隔水断层：一般为压性断层或断裂带被粘土质充填。隔水断层分布在充水含水层 内时，常分割充水含水层的水力联系，但强烈的采矿活动可使其转化为导水断裂带；若分布 在边界上，能阻止区域地下水的补给；当切穿顶底板隔水层时，会降低其隔水性，在开采条 件下可造成顶板或底板的突水。 （2）导水断层：边界的导水断层起充水含水层接受区域地下水补给的通道作用；矿区 内断层与地表水连通时，常成为地表水溃入矿坑的导水通道；充水含水层内的导水断层，井 巷通过时涌水量增大，也可产生溃水。 （3）不同规模的断层，在矿床充水中的意义各有不同：规模大的断层一般组成矿田的 天然国国边界或井田的人为边界，控制矿床或矿坑的地下水补给径流条件，影响矿坑涌水量 大小；分布在矿区内的中小断层或区域性构造裂隙带，是矿坑顶底突水中最多见的突水通道， 在华北石炭二迭系煤田中占突水事故的 50%以上。 断层是否成为矿坑溃入式导水通道，取决于断层的性质与采矿活动的方式和强度。采矿 活动中，由隔水断层转化为导水断裂带的现象并不少见。 2. 评价方法 对断裂带导水作用的调查研究，是矿床水文地质工作的重点。应从其自身水文地质特性 入手，查清断层不同部位的导水性及其与力学性质，两侧地层岩性变化的关系，在此基础上 根据断层的分布位置，结合开采条件评价其充水作用：是作为沟通充水含水层与其它水源之 间联系的间接充水作用，还是导致矿坑大量突然涌水的直接通道作用。后者是关键，勘探时 常需投入大量勘探与试验工程，并利用各种技术方法综合评价其导水控水作用，如：钻探、 坑探、物探、抽水试验以及地下水水位，水化学，动态等特征的对比分析。 （二）岩溶坍隔与“天窗” 1. 基本概念与充水特征 岩溶坍隔是指覆盖于充水（或空气）空间之上的土层，因外力（抽、放水、暴雨）作用 瞬间坍落，先期存在的岩溶网隙为容纳和运移坍落物质提供了必要的空间条件，它是岩溶动 力地质作用的结果，与非可溶岩中产生的坍隔不同。其形成过程：首先是网隙上复土层在地 下水变动带内 崩解脱落，然后土层物质受流动地下水转移成大洞，并逐渐扩大使土洞顶 板变薄，最后在自然和人为作用下洞顶向下临落。岩溶坍隔是岩溶充水矿床严重的水文地质 工程地质问题，它不仅造成突发性矿坑溃水，同时破坏地面多种设施，导致河水断流，破坏 水资源。我国岩溶坍隔集中发生在南方溶洞充水矿床中，北方溶隙充水矿床仅占 1.8%。 “天窗”是指岩溶充水含水层与上覆冲积层之间的未胶结、半胶结地层，因沉积相变成 河谷下切而变薄甚至消失，导致充水含水层与上覆第四系含水层的直接接触，形成导水“天 窗”。天然状态下，“天窗”是充水含水层地下水排浅通道，也是岩溶坍隔的有利部位。如： 山东莱芜铁矿，1995 年中奥陶灰岩中的大型疏干工程放水试验，最大放水量 10.6×104m3/d， 平均水位降 59.04 m，地面出现岩溶坍隔 27 处，其中位于汶河及其支流的覆盖层变薄处占
889%共24处。一旦“天窗形成坍隔,其补给方式立即由渗透补给演变为集中渗入式补给, 因此,在充水意义上,“天窗”只是研究岩溶坍隔成因的重要因素之 2.成因与分布规律 岩溶坍陷的形成受三要素控制,即:可溶岩浅部岩溶发育:上覆盖层薄而松散:水动力 场发生急剧变化。其分布规律是:地下水降落漏斗范围内;构造断裂及裂隙密集带;河床及 沿岸:地面低洼长年积水或岩溶水排泄带:可溶岩与非可溶岩接触带,岩溶水位在覆盖层附 近等地段 岩溶坍的成因极复杂,但主要发生在抽、排水过程中,据目前研究抽、排水的影响至少 有下裂七个方面:①水位下降失托增薄:②真空吸:③浸泡软化层受鉷:④散解;⑤水击 ⑥蝕増强:⑦水的搬运加速等,均由水位变动引起,并且只有水位在基岩与土体接触界面或 土洞顶板,侧壁之间变动时才产生作用,若水位静止,作用便消失或趋向弱值,因此矿床开 采时,限制矿坑疏干引起的水位波动幅度,是减轻岩溶坍陷发生的重要措施。 2.预测方法 据上所述,研究岩溶坍陷最有效的方法,是利用抽、排水和暴雨过程,观测岩溶坍陷的 分布规律和形成发展过程及与抽、排水、暴雨的流场变化关系,并根据坍陷形成三要素建立 预测模型,预测发展趋势。预测方法有: (1)地质分析法:综合历史与现状,根据岩溶发育的地质背景条件与内外动力因素 预测开采状态下的发展趋势 (2)多元逐步回归分析:将坍陷强度(因变量)与影响因素(自变量)用编回归方程 组成统计量,通过两者之间的程度检验,确定关系密切的自变量进入回归方程,建立预 测模型 (3)经验公式:如利用抽、放水试验,建立坍陷范围(或强度)与水位的降的关系式 (三)岩溶陷落柱 指石炭二迭系煤系地层下伏中奥陶碳酸盐中的古洞、裂坍陷的柱体。它与现代岩溶坍陷 不同,是石膏岩溶产物,灰岩中硬石膏因水解膨胀,使上覆坚硬岩层受挤压破碎坍落充填而 成。主要分布在煤层底板厚度灰岩古剥鈾面附近,仅晋、鲁、冀、陕、豫、苏六省45个矿 区就发现2875个,最大的空间体积有3×104m3,最分布密度70个/km2(山西西山煤矿 多数岩溶陷落柱无水,只有少数因坍落物疏松,或在地震影响下充填物与围岩产生相对位移, 成为导水通道,突水时水量大、来势凶、酿成灾害。如河北开范多庄煤矿,井深400m 遇一高280m,直径60m的巨在陷落柱,最大突水量2053m3/min,含水层水位下降5144m, 影响超过20km,突水后产生坍陷17处,周围供水井全部失去供水能力。此外,河北井煤 矿,陷落柱的分布与突水点重合,并与现代地下径流方向一致。 (四)采空区上方冒裂带 1.基本概念与突水特征 当采矿形成大面积采空区后,原始应力平衡受破坏,采空区顶板在集中应力的作用下, 岩层破裂冒落,在采空区上方依次产生无规则冒落带、导水裂隙带和变化微弱的整体移动带 并在地面形成坍陷。上述分带规律在岩层缓倾的矿区较完整,并与崩落采矿法有关。冒落带 和导水裂隙带统称为冒裂带。当冒裂带达到上覆地面水源时,将造成突水。因此冒落带和导
88.9%共 24 处。一旦“天窗形成坍隔，其补给方式立即由渗透补给演变为集中渗入式补给， 因此，在充水意义上，“天窗”只是研究岩溶坍隔成因的重要因素之一。 2. 成因与分布规律 岩溶坍陷的形成受三要素控制，即：可溶岩浅部岩溶发育；上覆盖层薄而松散；水动力 场发生急剧变化。其分布规律是：地下水降落漏斗范围内；构造断裂及裂隙密集带；河床及 沿岸；地面低洼长年积水或岩溶水排泄带；可溶岩与非可溶岩接触带，岩溶水位在覆盖层附 近等地段。 岩溶坍的成因极复杂，但主要发生在抽、排水过程中，据目前研究抽、排水的影响至少 有下裂七个方面：①水位下降失托增薄；②真空吸鉵；③浸泡软化层受鉵；④散解；⑤水击； ⑥鉵增强；⑦水的搬运加速等，均由水位变动引起，并且只有水位在基岩与土体接触界面或 土洞顶板，侧壁之间变动时才产生作用，若水位静止，作用便消失或趋向弱值，因此矿床开 采时，限制矿坑疏干引起的水位波动幅度，是减轻岩溶坍陷发生的重要措施。 2. 预测方法 据上所述，研究岩溶坍陷最有效的方法，是利用抽、排水和暴雨过程，观测岩溶坍陷的 分布规律和形成发展过程及与抽、排水、暴雨的流场变化关系，并根据坍陷形成三要素建立 预测模型，预测发展趋势。预测方法有： （1）地质分析法：综合历史与现状，根据岩溶发育的地质背景条件与内外动力因素， 预测开采状态下的发展趋势； （2）多元逐步回归分析：将坍陷强度（因变量）与影响因素（自变量）用编回归方程 组成统计量，通过两者之间的 程度检验，确定关系密切的自变量进入回归方程，建立预 测模型； （3）经验公式：如利用抽、放水试验，建立坍陷范围（或强度）与水位的降的关系式。 （三）岩溶陷落柱 指石炭二迭系煤系地层下伏中奥陶碳酸盐中的古洞、裂坍陷的柱体。它与现代岩溶坍陷 不同，是石膏岩溶产物，灰岩中硬石膏因水解膨胀，使上覆坚硬岩层受挤压破碎坍落充填而 成。主要分布在煤层底板厚度灰岩古剥鉵面附近，仅晋、鲁、冀、陕、豫、苏六省 45 个矿 区就发现 2875 个，最大的空间体积有 3×104m3,最分布密度 70 个/km2（山西西山煤矿）。 多数岩溶陷落柱无水，只有少数因坍落物疏松，或在地震影响下充填物与围岩产生相对位移， 成为导水通道，突水时水量大、来势凶、酿成灾害。如河北开 范多庄煤矿，井深 400 m， 遇一高 280 m，直径 60 m 的巨在陷落柱，最大突水量 2053 m3/min，含水层水位下降 51.44 m， 影响超过 20km，突水后产生坍陷 17 处，周围供水井全部失去供水能力。此外，河北井 煤 矿，陷落柱的分布与突水点重合，并与现代地下径流方向一致。 （四）采空区上方冒裂带 1. 基本概念与突水特征 当采矿形成大面积采空区后，原始应力平衡受破坏，采空区顶板在集中应力的作用下， 岩层破裂冒落，在采空区上方依次产生无规则冒落带、导水裂隙带和变化微弱的整体移动带， 并在地面形成坍陷。上述分带规律在岩层缓倾的矿区较完整，并与崩落采矿法有关。冒落带 和导水裂隙带统称为冒裂带。当冒裂带达到上覆地面水源时，将造成突水。因此冒落带和导